Apprendre Java : les frameworks et les langages JVM

Apprendre le langage Java ne veut pas dire apprendre sa syntaxe ou ses structures de base. Autrement, tout développeur C et C++ peut se voir comme un développeur Java. Apprendre Java veut dire un peu plus que la syntaxe.

Premièrement, il faut apprendre l'API Java. L'API Java fournie avec la JDK est très puissante. La majorité des applications J2SE reposent seulement sur l'API par défaut. Elle peut être considérée comme un facteur clé du succès du langage Java. Parmi les packages les plus utilisés :

1. java.lang : le package importé par défaut et qui contient les classes essentielles pour écrire un programme Java (System, String, Class, Exception, Thread, etc..)
2. javax.swing : (après AWT) pour les interface graphiques.
3. javax.net : pour la programmation réseau.
4. java.nio : (après io) pour les flux entrée/sortie.
5. java.sql : pour interagir avec les Bases de Données relationnelles.

Ainsi, nous pouvons développer une application de gestion réparties, suivant l'approche Client/Serveur avec Client lourd, basée sur une Base de Données centralisée avec support de l'importation et l'exportation des données en utilisant la J2SE standard sans ajouter d'autres API sauf le driver du SGBDR utilisé (qui ne sera plus nécessaire s'il s'agit du Derby fourni avec la JDK).

Mais est-ce tout ? Non.

Deux autres éléments essentiels dans l'apprentissage de Java sont les framework et les langages JVM.

Premièrement, nous trouvons généralement les frameworks dans le cadre de développement des applications entreprises (n-tiers) sous J2EE. Ces framework ont trouvé de la popularité avec le retard remarquable qu'a fait la bibliothèque standard J2EE dans ce domaine. En effet, sans ce retard, les frameworks Spring et Struts n'auront pas gagné du terrain. Ainsi, à une époque donnée, apprendre la J2EE était synonyme de "apprendre une framework J2EE".

Aujourd'hui cette affirmation reste valide mais pas avec la même puissance. D'un côté, la J2EE devient de plus en plus à jour; elle arrive à cacher ses inconvénients et sa lourdeur qui limitent sa productivité (présentation Adam Bien). Elle arrive aussi à proposer ses propres frameworks disponibles par défaut; nous avons remarqué aussi la qualité améliorée de ces framework (Java Server Faces en ai un exemple). De l'autre côté, les différents frameworks continuent de progresser et gardent leur avance par rapport à la plate-forme J2EE part défaut. Les nouveaux besoins et les nouvelles approches favorisent ces frameworks et compliquent la tâche de la plate-forme par défaut.

Deuxièmement, nous devons reconnaître les langages JVM; des langages de programmation basés sur la machine virtuelle de Java. Ces langages sont, généralement, compatible directement avec Java et peuvent accéder à toutes les bibliothèques disponibles sans aucun effort supplémentaire. Ils compilent leur code vers Bytecode de Java et profite ainsi de sa portabilité.

Ces langages sont proposés pour plusieurs raisons :

1. Simplifier et moderniser le langage : Java est un langage puissant mais lourd. Quelques langages sont proposés pour le simplifier et le moderniser. Groovy et Kotlin sont des excellents exemples.
2. Pour répondre à un besoin spécifique : Java est un langage général qui permet de développer différents systèmes et pour différents domaines, néanmoins, avoir un langage spécialisé qui garde la puissance de Java reste une option intéressante. Tel est le cas avec des langages comme Scala (programmation formel), SARL (programmation basée Agents) et Processing (dessins et animations).
3. Pour faciliter l'apprentissage de la programmation et du langage Java : Java est strict et nécessite un respect rigoureux des notions Objets; la chose qui n'est pas facile pour les débutants en programmation. Ainsi, quelques langage JVM sont conçu pour être facile et simple et pour cacher la lourdeur du Java. Javascool en est un excellent exemple.

 

 

La plus part de ces langages offrent leurs propres APIs. Ces APIs représentent un enrichissement remarquable à exploiter et à être pris en considération par les développeurs Java. Nous prenons, comme, exemple les chaînes de caractères sous Groovy. Ces chaînes de caractères sont implantées en utilisant la classe GString, une extension puissante de la classe String de l'API J2SE par défaut. En l'utilisant, nous pouvons, à titre d'exemple, bénéficier de :

1. La déclaration d'une chaîne de caractère sur plusieurs lignes (comme les commentaires sur plusieurs lignes) en utilisant le délimiteur """.

def maChaine = """Bonjour chèrs internautes,
Cela est un exemple sur les chaîne de caractères sur plusieurs lignes.
Merci Groovy."""

println maChaine

2. Il est possible d'effectuer des substitutions de variables en utilisant le $ associé à leurs noms dans la chaîne de caractères.

def monPrenom = "Tarek"

println "Bonjour ${monPrenom}."

Certain de ces langages ont pu prendre la place du Java. Kotlin, par exemple, est devenu le langage de développement des applications Android, malgré, qu'à la base, il n'était pas conçu pour cet objectif.

Ainsi, apprendre Java veut dire apprendre sa syntaxe, son API par défaut (J2SE et J2EE) et apprendre , selon vos besoins et votre spécialité, la framework ou le langage JVM le plus adéquat. A titre d'exemple, pour enseigner en présentiel et à distance, je me trouve orienté vers les langages Groovy, Javascool et Processing. Les frameworks, dans mon contexte professionnel, ne trouve pas assez de place à part des démonstrations très limitées pour les étudiants en Master (université de Jijel).

Groovy pour l'enseignement intial de la programmation

Le choix d'un langage du départ pour l'enseignement de l'algorithmique est crucial pour l'apprenant. La première impression qu'il forme sur le module et la programmation de manière générale peut influencer ses performances durant l'apprentissage. Cette influence peut dépasser le module algorithmique pour affecter les autres modules qui dépend fortement de la programmation.

Le choix pris à l'université de Jijel, par exemple, est le langage Pascal. Ce choix est encore présent dans plusieurs autres universités. Ce choix est justifié par la similitude entre l'algorithmique et le langage Pascal et la nature pédagogique de ce dernier. En suivant une formation en français, l'étudiant peut vite obtenir un programme en Pascal par effectuer une traduction vers l'anglais.

Algorithme Exemple;
Var
    a, b, c : Entiers;
Debut
    Lire(a);
    Lire(b);
    c <- a + b;
    Ecrire(c);
Fin.

Program Exemple;
Var
    a, b, c : Integer;
Begin
    ReadLn(a, b);
    c := a + b;
    WriteLn(c);
End.

Néanmoins, la syntaxe de Pascal n'est pas retenue par d'autres langages. En effet, délimiter les blocs par "Begin" et "End" ne trouve pas d'autre utilité que dans le langage Delphi (que je considère comme Object Pascal, c'est à dire, Pascal). Apprendre un autre langage, tel que C, C++ et Java, nécessitera la reprise de la syntaxe et des mots clés à nouveau.

Nous avons tenté, durant une année universitaire, de commencer avec le langage C. Un choix qui peut être justifié par deux points essentiels :

1. Le langage C est parmi les langages les plus utilisés et les mieux classés au monde. A mon avis, il le restera tant que les noyaux des systèmes, les pilotes et la programmation niveau bas reposent sur le langage C.
2. La syntaxe du langage C est reprise par plusieurs autres langages. Si vous pouvez écrire la boucle "for" en C, alors vous pouvez l'écrire en C++, Java, C#, PHP, Perl, Ruby, Groovy et bien d'autres.

Le résultat était satisfaisant : les étudiants ont pu assimiler le langage vu qu'il n'ont pas connu un autre langage plus simple. C'est à peu près comme Linus Torvalds qui a commencer à développer en binaire pensant qu'il est le langage assembleur.

Néanmoins, l'effort fournis était bien supérieur. La tâche était fatigante à la fois pour les enseignant et les étudiants. Le passage n'était pas intuitif entre l'algorithmique et l'étudiant devait faire un effort supplémentaire et un temps additionnel, ainsi, les séances du TP devenaient de moins en moins productives, particulièrement lorsque nous abordions les pointeurs. Les messages d'erreur sont moins claires et plus difficiles à comprendre par les débutants. Sous Pascal, ce problème n'était pas posé vu qu'il s'arrête et affiche la première erreur rencontrée et ses messages sont plus compréhensibles. Pascal cache, aussi, l'étape de création des liens et le rassemblement des parties du code.

Ainsi, chaque option possède ses avantages et ses inconvénients. Heureusement, de nouveaux langages sont proposés chaque jour et la liste des options est devenue très riche.

A mon avis, le langage Java doit être le centre de la formation. Il partage quelques caractéristiques de simplicité avec Pascal et il reprend la syntaxe du langage C. Avec une API bien conçue et une convention du nommage très claire, il est possible à tout débutant de se lancer en Java et vite comprendre ses bases et qu'est ce qu'il faut faire. Il commence à trouver sa place dans l'enseignement de l'algorithmique dans plusieurs universités (Stanford, par exemple). A l'université de Jijel et à la région Est de l'Algérie, le programme de formation normalisé prévoit le module "Programmation Orientée Objet" qui repose entièrement sur le langage Java comme langage d'application. Les messages d'erreur sont très claires et les éditeurs disponibles facilitent leur repérage et leur correction (des éditeurs comme Eclipse et NetBeans vont jusqu'à la proposition de solution au développeur, ils signalent les erreurs pendant la saisie du programme et avant même d'entamer la compilation).

Malheureusement, ce choix n'est pas sans inconvénients. Le premier inconvénient, qui l'inconvénient majeur de Java, est l'obligation de respecter strictement les notions de la programmation Orientée Objet. C'est à dire que tout le code (toutes les fonctions) doivent faire partie d'une classe. Dans un contexte d'apprentissage, ce point peut être problématique pour l'étudiant parce qu'il écrit un code qu'il ne comprenne pas. En effet, il est très difficile d'expliquer la signification de "class" et de "static" si l'apprenant essaie d'apprendre le sens de "variable" et "bloc".

Le deuxième inconvénient est ce mélange entre type primitifs et classes. Les types de base "int", "long", "float", "double" et "boolean" (liste non-exhaustive) ne sont pas considérés comme des classes mais String est une classes. Cela peut créer une confusion qui dure, des fois, plusieurs semaines.

Pour remédier à ces inconvénients, Groovy peut être la solution. Groovy est un langage de la JVM (la machine virtuelle Java), c'est à dire, il compile son code vers un code Java qui repose sur la machine virtuelle pour son exécution. Il peut faire appel à des API Java comme il possède ses propres classes (compatibles avec Java) qui "corrige" les manque du langage Java et le rend plus "moderne" (si nous pouvons le dire).

Parmi les éléments du java, nous citons les deux suivantes :
1. Il n'est plus nécessaire de mettre tout le code dans une classe. Il est possible d'opter pour un code "script". Il est possible, aussi, d'utiliser la fonction "main()" tout cours (comme le font le C et le C++).

println "Hello World!"

2. Tous les types sont des Objets. Les types primitifs sont automatiquement enveloppé dans leurs "Wrapper"s. Ainsi, la déclaration d'un int implique la déclaration d'un Integer. Cela est fait en toute transparence.

Sous Groopy, les premiers exemples seront beaucoup plu faciles et nécessiteront mois d'explication. Il nous éviteront aussi cette "écrivez le code tel qu'il est, nous allons l'expliquer plus tard" sur la partie "class" et "public static void main()".

def a = 10;
println a.class

Groovy n'est pas le seul. Plusieurs autres langages JVM peuvent être utilisés comme un point de départ pour apprendre l'algorithmique avant de passer vers Java. D'ailleurs, des langages JVM sont conçus spécifiquement pour l'enseignement; Javascool en ai un exemple. Les comités pédagogiques doivent laisser les choix ouverts et profiter des différents langages disponibles.

Enseigner l’algorithmique pour les débutants .. Deux solutions pour le même problème

Une analyse de la situation actuelle à l’université algérienne peut nous amener à conclure que l’enseigner l’algorithmique est une responsabilité. En effet, les étudiants en 1ère année universitaire n’ont pas encore tranché pour leur future, ils ont, seulement, choisi l’option MI : Mathématiques et Informatique. Ce tronc commun est destiné aux matheux ayant plus de 12 comme note de mathématiques en BAC. Avec l’invisibilité qui règne sur le future de tout jeune algérien, la plus part des étudiants en 1ère année hésitent encore entre suivre un parcours en Mathématiques ou opter pour une carrière en Informatique. L’Algorithmique peut être le module clé pour pousser l’étudiant à l’une des deux possibilités.

Prenons un exemple utilisé généralement pour aider les étudiants à comprendre et à travailler sur les matrices : la deuxième diagonale d’une matrice carrée. Cette diagonale peut être présentée dans différents exercices tels que le carré magique.

En se basant sur l’évolution du cours, nous allons probablement se trouver avec une analyse de passage entre les deux cellules voisines pendant le parcours de cette diagonale :

Ainsi, l’algorithme sera du genre (en prenant “i” comme indice de ligne, “j” comme indice de colonne et N la taille de la matrice) :

i := 1;

j := N;

TQ (i <= N) Faire

     {Notre traitement}

     {La cellule actuelle est accessible par M[i, j]}

     i := i + 1;

     j := j - 1;

FinTQ

Est ce la meilleure solution ? Si on prend le temps d’exécution et l’espace mémoire, la réponse sera Non. Nous pouvons proposer une deuxième solution en partant de l’affirmation suivante (ou de la remarque intuitive, si vous voulez) suivante :

“Lorsque i est incrémenté par 1, j est décrémenté par la même valeur”

Une petite adaptation rapide peut, vite, amener l’étudiant à proposer l’algorithme de la forme :

i := 1;

TQ (i <= N) Faire

    {Notre traitement}

    {La cellule actuelle est accessible par M[i, N - i + 1]}

    i := i + 1;

FinTQ

En d’autres termes, le j est écrit en fonction de i et on gagne deux (ou quatre) octets en mémoire centrale.

Pour un développeur, ou même un étudiant en 2ème année, cette solution paraît très simple et même la solution logique, mais pour un étudiante en 1ère année, les choses diffèrent.

Le problème ne réside pas dans la formule de j en fonction de i (le N - i + 1); une fois demandé, les étudiants arrivent souvent à la trouver facilement en partant du fait qu’on parle d’une symétrie par rapport au centre de la matrice :

(i + j) / 2 = (1 + N)/2

i + j = 1 + N

j = N - i + 1

Le vrai problème réside dans cette sensation qui pousse l’étudiant à penser qu’il est possible d’écrire j en fonction de i et de gagner quelques octets en mémoire centrale. Notre enseignant M. B. Chergou (page perso) faisait référence à cela par dire que c’est la partie “génie” dans “ingénieur”, une affirmation encourageante pour des étudiants qui ont déjà choisi “ingénieur en informatique” comme carrière. Cette même affirmation ne peut pas, forcément, avoir le même effet sur des étudiants 1) en licence, 2) n’ont pas encore fait leur choix et 3) se sentent dans l’insécurité.

Pendant une séance de Travaux Dirigés, on peut être amené à présenter l’une des deux solutions; pas seulement pour cet exemple, mais pour dans les différents cas les différents exercices un peu plus compliqué que le calcul de la somme de deux entiers. La solution présentée dépendra, probablement, des éléments les plus actifs pendant cette séance. Elas, un risque se présente : présenter la deuxième solution au problème, sans donner la possibilité aux étudiants, qui n’ont pas eu l’intuition de la détecter, de voir d’autres possibilités va les laisser derrière; répétez la même chose pendant deux à trois séances, et je peux vous garantir que vous aller continuer avec le même groupe qui a fait cette intuition pendant que les autres vont peu à peu abandonner le module en le voyant comme un module intuitive, non méthodique et même poétique (n’oubliant pas qu’il s’agit des matheux).

A mon avis, il est très important d’opter pour la première solution; la solution méthodique, sans ajouter les contraintes d’optimisation sur les étudiants et de présenter la deuxième solution par la suite comme un raccourcis qui peut être emprunté (ou pas). Ainsi, l’aspect “exacte” de l’algorithmique et de la programmation de manière générale restera préservé et les étudiants seront (pour le moment) protégés d’avoir l’impression que la programmation est basée des capacités d’observation particulières ou nécessite une intelligence spéciale.

P.S : Cet article est fait suite à un constat réel qui dépend (comme les sciences sociales le précisent) de l’échantillon des étudiants, la succession des évènements et le contenu du cours et des travaux dirigés présentés. Un tel problème ne sera pas, probablement, rencontré si les étudiants ont déjà fait des travaux de programmation (tous les étudiants) (Cours CS 106 - U. Stanford)